超声渐变界面自动跟踪系统

    1　引　言

    纵观各种界面检测技术,如光学、电学、射线、声学等,适用于渐变界面检测,并综合应用实效性、测量精度、安全性等因素,超声波检测技术是较为理想的方法。它对固体悬浮浓度的测量范围较大、而且应用广泛,可以检测多数固液不分明界面。该方法应用在水厂的沉淀池泥位界面测定和泥沙浓度分布的测量,是实现排泥自动化的关键所在。自动排泥能够节约水资源、降低药耗、节省用电量,降低生产成本,具有明显的经济效益和社会效益。另外,该检测方法还能用于其它工业生产领域,如造纸行业中浆料浓度测量和控制,废水浓度控制,各种工业游渣的浓度及界面的测量和控制等。

    2　仪器工作原理及结构

    超声波在流体介质中传播时,要受到介质的吸收和散射,总的衰减系数A可认为是吸收衰减系数Aa和散射衰减系数As之和,经衰减后接收到的信号S可表示为:

    其中k为仪器系数,P0为发射声强,L是声波在介质中传播的距离。Aa与超声频率、介质的粘滞性、导热性等因素有关。如果在使用的频率范围内没有明显的驰豫现象且温度恒定,通常可认为AaAsf2,f为超声频率。Aa与温度有明显的依赖关系,如在清水中,0℃时,Aa=56.9×10-15f2;20℃时,Aa=25.3×10-5f2。散射衰减系数As则与超声频率、泥沙粒度、浓度等密切相关,当散射粒子的尺寸远小于波长时,可认为:

    其中,M为声波在水中的速度,n为散射粒子的体积浓度,C为粒子半径。

    令SW=k·P0·e-Aa·L　表示仪器在清水中接收到的信号,则在泥水中接收到的信号为:

S=SW·e-AS·L(3)

    当温度、粒子半径、超声频率和传播距离一定时,它仅与泥沙粒子浓度有关,通过测量这一信号,便可得到有关泥浓度的信息,由此可进一步检测出固液渐变界面。

    渐变界面自动跟踪系统就是利用超声波在渐变界面附近因泥浓度不同而存在着声衰减的差异,用精确的测试手段测出信号,根据预先设定的参数,通过微处理器和执行系统对渐变界面位置的变化进行自动搜索和跟踪。整个系统的原理框图如图1。

    超声的发射与接收形式采用反射式,用一个换能器兼作发射和接收。测量为接触式的,探头由电缆线牵引进入泥水中,检测到的超声信号,经过转化后以电流信号的方式由电缆线输送到主机,通过主机再转化为电压信号,经单片机采样、处理后由液晶面板显示(单位为V),同时单片机作出判断,控制步机电机,驱动绕线鼓轮,使探头上升或下降,跟踪变化的界面。探头位置用位置传感器测量并在面板上显示。